一种变电站绝缘子带电清扫机器人系统及方法与流程

本发明属于机器人绝缘子清扫领域，尤其涉及一种变电站绝缘子带电清扫机器人系统及方法。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

输电线路污闪事故而造成的电网系统大面积停电,不仅影响电网系统的安全运行,同时对经济带来巨大损失。保持输电线路绝缘子的清洁是防止污闪事故发生的有效举措。目前,主要依靠手动操作带电水冲洗车对接触网绝缘子进行清洗,但是人工清洗劳动强度高,冲洗效率也较低,若工人操作不当,则导致清洗不干净,采用水冲洗车自动清洗接输电线路绝缘子,可有效解决人工清洗存在的问题。面对输电线路庞大的绝缘子清洗任务,采用自动化装置代替人工清洗输电线路绝缘子成为研究重点。

由于绝缘清扫工具的环抱装置的中心与绝缘子的轴线重合时清洗效果最佳，发明人发现，目前判断绝缘清扫工具的环抱装置的中心与绝缘子的轴线重合的过程还是由人工来实现，智能化程度低，进而出现绝缘子视觉定位存在定位不准的缺陷。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种变电站绝缘子带电清扫机器人系统及方法，其通过采集半圆环抱装置半圆范围内的图像，并根据各路图像中的绝缘子与对应整幅图像占比的比较，确定绝缘子轴线是否位于半圆环抱装置中心位置，自动实现绝缘子轴线是否位于半圆环抱装置中心位置的判断，提高了变电站绝缘子带电清扫机器人系统的清洁效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种变电站绝缘子带电清扫机器人系统。

一种变电站绝缘子带电清扫机器人系统，包括：

清扫部，其通过半圆环抱装置与机械臂相连；所述清扫部用于在半圆环抱装置的中心与绝缘子轴线重合时启动并对绝缘子进行带电清扫；

绝缘子定位部，其包括至少两路图像采集装置，图像采集装置均匀设置在半圆环抱装置内，用于采集半圆环抱装置半圆范围内的图像并同时传送至处理器；

所述处理器被配置为：基于笛卡尔空间阈值分割算法对图像进行图像分割，根据多尺度绝缘子样本库，实时判断同时接收的所有路图像是否均包含绝缘子；若均包含绝缘子，则根据各路图像中的绝缘子与对应整幅图像占比的比较，确定绝缘子轴线是否位于半圆环抱装置中心位置；否则，输出调整半圆环抱装置的命令，直至绝缘子轴线位于半圆环抱装置中心位置。

作为一种实施方式，所述清扫部包括清扫毛刷结构和驱动电机；

所述清扫毛刷结构包括中空清扫毛刷、绝缘剂海绵及离心电机，以实现离心式柔性环保清扫；

所述驱动电机与中空清扫毛刷相连，离心电机输出轴与绝缘剂离心机构相连，绝缘剂海绵位于中空清扫毛刷和绝缘剂离心机构之间；

当驱动电机和离心电机使其输出轴旋转方向相反时，中空清扫毛刷与绝缘剂离心机构逆向旋转，绝缘剂离心机构旋转挤压绝缘剂海绵，绝缘剂流向中空清扫毛刷毛刷，从而实现对绝缘子的流固耦合清洗。

上述技术方案所产生的效果为：清扫结构中由于增设了绝缘剂海绵、离心电机及驱动电机，在中空清扫毛刷旋转产生的离心力作用下，绝缘剂通过中空清扫毛刷的毛刷孔流向毛刷，从而实现对绝缘子的清扫，能够实现对绝缘子表面的油性污秽进行清扫；

蘸取清扫所需的绝缘剂，待绝缘剂海绵完全吸收后，放入中空清扫毛刷中，位于中空清扫毛刷与绝缘剂离心机构之间，蘸取一次即可实现绝缘子的清扫工作，可连续工作，不用多次蘸取。

作为一种实施方式，所述清扫毛刷结构还包括绝缘剂海绵固定板、离心电机安装板；

所述绝缘剂海绵固定板安装于中空清扫毛刷上，中空清扫毛刷上表面与离心电机安装板连接，离心电机连接安装于离心电机安装板上。

作为一种实施方式，所述清扫毛刷结构还包括离心电机轴承，所述离心电机轴承外径过渡配合连接安装于绝缘剂海绵固定板内部，内径与离心电机输出轴过渡配合连接。

上述技术方案所产生的效果为：通过过渡配合连接方式提高清扫毛刷结构的稳定性。

作为一种实施方式，所述绝缘剂海绵与中空清扫毛刷和绝缘剂离心机构过盈配合连接。

作为一种实施方式，所述中空清扫毛刷上的毛刷固定于中空部件上并于其内部相通，与绝缘剂海绵过渡连接配合。

作为一种实施方式，所述清扫毛刷结构位于由上防护罩与下防护罩配合构成的腔体内，上防护罩与下防护罩采用开口结构，绝缘剂在防护罩开口结构处能进行清扫作业，在其余部分绝缘剂通过回收海绵的吸附实现回收。

上述技术方案所产生的效果为：防护罩为开口结构，因此，绝缘剂在防护罩开口处能进行清扫作业，在其余部分绝缘剂通过回收海绵的吸附实现回收，以防污染变电站环境。

作为一种实施方式，所述驱动电机固定在上防护罩上，上防护罩内装有毛刷上轴承，毛刷上轴承内径与驱动电机输出轴过渡配合连接，外径与上防护罩过渡配合连接；下防护罩内装有毛刷下轴承，毛刷下轴承外径与下防护罩过渡配合连接，内径与绝缘剂海绵固定板外侧轴过渡配合连接。机器人上装有激光、视觉、超声和泄漏电流的传感器，能够随时监测带电拆装作业过程中机器人、工具及设备的状态，保证作业安全。

本发明的第二方面提供一种变电站绝缘子带电清扫机器人系统的工作方法。

一种变电站绝缘子带电清扫机器人系统的工作方法，包括：

采集半圆环抱装置半圆范围内的图像；

基于笛卡尔空间阈值分割算法对图像进行图像分割，根据多尺度绝缘子样本库，实时判断同时接收的所有路图像是否均包含绝缘子；若均包含绝缘子，则根据各路图像中的绝缘子与对应整幅图像占比的比较，确定绝缘子轴线是否位于半圆环抱装置中心位置；否则，输出调整半圆环抱装置的命令，直至绝缘子轴线位于半圆环抱装置中心位置；

在半圆环抱装置的中心与绝缘子轴线重合时启动清扫部，对绝缘子进行带电清扫。

作为一种实施方式，求取各路图像中的绝缘子与对应整幅图像占比的过程为：

对各路图像中检测到的绝缘子区域分别提取绝缘子连通域，并求取连通域的中心点和连通域所占像素点总数；

通过连通域所占像素点总数来确定连通域所占对应整幅图像的比例，得到各路图像中的绝缘子与对应整幅图像占比。

作为一种实施方式，当各路图像中的绝缘子与对应整幅图像占比相等，或存在绝缘子连通域的中心点横坐标与整幅图像长度的1/2值之差小于或等于预设误差阈值时，半圆环抱装置的中心与绝缘子轴线重合。

作为一种实施方式，通过机器学习来适应多种不同型号的绝缘子，捕捉其中心轴线位置，实现清扫环抱装置对不同型号的绝缘子的准确。

本发明的有益效果是：

(1)本发明提出一种变电站绝缘子机器人带电清扫技术，构建敞开式变电站绝缘子同源结构的流固耦合清洗模型，研制出离心式柔性环保清扫装置，清扫部通过半圆环抱装置与机械臂相连，清扫部用于在半圆环抱装置的中心与绝缘子轴线重合时启动并对绝缘子进行带电清扫，实现了变电站支柱绝缘子绝缘剂带电清扫的作业，解决了带电清扫作业污秽清扫不彻底的问题。

(2)本发明建立多尺度绝缘子样本库，构建基于笛卡尔空间阈值分割算法的敞开式变电环境下绝缘子识别模型，设计多视频目标精准识别追踪技术、图像语义分割位置提取算法、多相机同直径半圆中心对准方法，通过采集半圆环抱装置半圆范围内的图像，并根据各路图像中的绝缘子与对应整幅图像占比的比较，确定绝缘子轴线是否位于半圆环抱装置中心位置，实现不同尺寸的支柱绝缘子的识别、实时追踪、定位及对准，解决了不同型号的绝缘子难以定位及对准的难题；自动实现绝缘子轴线是否位于半圆环抱装置中心位置的判断，提高了变电站绝缘子带电清扫机器人系统的清洁效率。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例的一种变电站绝缘子带电清扫机器人系统结构示意图；

图2是本发明实施例的图像采集装置在半圆环抱装置上布置示意图；

图3是本发明实施例的清洁部与绝缘子串配合状态图；

图4是本发明实施例的清洁部内部结构图；

图5是本发明实施例的清扫毛刷结构部分示意图；

图6是本发明实施例的中空清扫毛刷结构示意图；

图7是本发明实施例的变电站绝缘子带电清扫机器人系统的工作流程图。

图中，i、清洁部，ii、半圆环抱装置，iii、机械臂；iv、图像采集装置；

1、绝缘子，2、驱动电机，3、上连接架，4、上连接杆，5、上防护罩，6、下连接杆，7、下连接架，8、下防护罩，9、绝缘剂海绵固定板，10、回收海绵，11、中空清扫毛刷，12、离心电机安装板，13、毛刷上轴承，14、离心电机，15、绝缘剂离心机构，16、绝缘剂海绵，17、离心电机轴承，18、毛刷下轴承。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例的一种变电站绝缘子带电清扫机器人系统，包括：

清扫部i，其通过半圆环抱装置ii与机械臂iii相连；所述清扫部i用于在半圆环抱装置ii的中心与绝缘子轴线重合时启动并对绝缘子1进行带电清扫；

绝缘子定位部，其包括至少两路图像采集装置iv，图像采集装置均匀设置在半圆环抱装置内，用于采集半圆环抱装置半圆范围内的图像并同时传送至处理器。

如图2所示，在本实施例中，图像采集装置iv以两路为例，布置于半圆环抱装置两端，且位于半圆环抱装置的同一直径上。

所述处理器被配置为：实时判断同时接收的所有路图像是否均包含绝缘子；若是，则根据各路图像中的绝缘子与对应整幅图像占比的比较，确定绝缘子轴线是否位于半圆环抱装置中心位置；否则，输出调整半圆环抱装置的命令，直至绝缘子轴线位于半圆环抱装置中心位置。

作为一种具体实施方式，所述清扫部包括清扫毛刷结构和驱动电机；

所述清扫毛刷结构包括中空清扫毛刷、绝缘剂海绵及离心电机；

所述驱动电机与中空清扫毛刷相连，离心电机输出轴与绝缘剂离心机构相连，绝缘剂海绵位于中空清扫毛刷和绝缘剂离心机构之间；

当驱动电机和离心电机使其输出轴旋转方向相反时，中空清扫毛刷与绝缘剂离心机构逆向旋转，绝缘剂离心机构旋转挤压绝缘剂海绵，绝缘剂流向中空清扫毛刷毛刷，从而实现对绝缘子的清扫。

具体地，参见附图4、图5所示，清扫毛刷结构由绝缘剂海绵固定板9、中空清扫毛刷11、离心电机安装板12、离心电机14、绝缘剂离心机构15、绝缘剂海绵16及离心电机轴承17组成。绝缘剂海绵固定板9通过螺栓安装于中空清扫毛刷11上，中空清扫毛刷11上表面与离心电机安装板12通过螺栓连接，离心电机14通过螺栓连接安装于离心电机安装板12上，离心电机14输出轴与绝缘剂离心机构15通过键连接。其中，绝缘剂离心机构的作用是通过旋转将海绵16中的绝缘剂离心甩出，沿着毛刷毛溢出与绝缘子接触。

离心电机轴承17外径过渡配合连接安装于绝缘剂海绵固定板9内部，内径与离心电机14输出轴过渡配合连接。

绝缘剂海绵16位于中空清扫毛刷11和绝缘剂离心机构15之间，与中空清扫毛刷11和绝缘剂离心机构15过盈配合连接。

参加附图6所示，中空清扫毛刷11上的毛刷固定于中空部件上并于其内部相通，与绝缘剂海绵16过渡连接配合。具体地，中空部件上有安装孔，毛刷在制作加工过程中是塞到安装孔上，然后打胶固定。

驱动电机2与上防护罩5通过螺栓进行连接；上防护罩5内装有毛刷上轴承13，毛刷上轴承13内径与驱动电机2输出轴过渡配合连接，外径与上防护罩5过渡配合连接；下防护罩8内装有毛刷下轴承18，毛刷下轴承18外径与下防护罩8过渡配合连接，内径与绝缘剂海绵固定板9外侧轴过渡配合连接；驱动电机2与中空清扫毛刷11通过键连接。

在外部结构上，参见附图3所示，包括上防护罩5与下防护罩8，上防护罩5与下防护罩8通过凹形槽进行过盈配合，通过上连接杆4与下连接杆6的组合长度进行定位，回收海绵10过盈配合与上防护罩5和下防护罩8内部，上防护罩5与下防护罩8采用1/4开口结构，便于进行绝缘子清扫及废液回收。

在连接结构上，包括：上连接架、下连接架、上连接杆及下连接杆。

上连接架3与上连接杆4通过螺栓连接，上连接架3与上防护罩5通过螺栓连接，下连接架7与下连接杆6通过螺栓连接，下连接架7与下防护罩8通过螺栓连接，上连接杆4与下连接杆6通过螺栓连接，可通过螺栓安装于其他作业工具上。

在一实施例子中，清扫作业前，将绝缘剂海绵取回，蘸取清扫所需的绝缘剂，待绝缘剂海绵完全吸收后，放入中空清扫毛刷中，位于中空清扫毛刷与绝缘剂离心机构之间，按照附图4进行清扫工具装配，其连接方式如上所述。

变电站绝缘子带电清扫作业装置通过上连接杆4与下连接杆6的螺栓连接方式可安装于绝缘杆或作业平台上，可通过绝缘杆件或作业平台进行举升；中空清扫毛刷。

清扫作业时，通过绝缘杆或作业平台将清扫作业装置举升至绝缘子，将防护罩的开口位置对准要清洗的绝缘子，如附图3所示，启动驱动电机和离心电机，使其输出轴旋转方向相反，从而使中空清扫毛刷与绝缘剂离心机构逆向旋转，绝缘剂离心机构旋转挤压绝缘剂海绵，将绝缘剂向中空清扫毛刷的内壁挤出，在中空清扫毛刷旋转产生的离心力作用下，绝缘剂通过中空清扫毛刷的毛刷孔流向毛刷，从而实现对绝缘子的清扫；由于防护罩为1/4开口结构，因此，绝缘剂在防护罩开口处能进行清扫作业，在其余3/4部分绝缘剂通过回收海绵的吸附实现回收，以防污染变电站环境。

清扫作业后，将清扫装置拆卸，将回收海绵取出回收未使用的绝缘剂。

上述技术方案所产生的效果为：清扫结构中由于增设了绝缘剂海绵、离心电机及驱动电机，在中空清扫毛刷旋转产生的离心力作用下，绝缘剂通过中空清扫毛刷的毛刷孔流向毛刷，从而实现对绝缘子的清扫，能够实现对绝缘子表面的油性污秽进行清扫；

蘸取清扫所需的绝缘剂，待绝缘剂海绵完全吸收后，放入中空清扫毛刷中，位于中空清扫毛刷与绝缘剂离心机构之间，蘸取一次即可实现绝缘子的清扫工作，可连续工作，不用多次蘸取。

本实施例的一种变电站绝缘子带电清扫机器人系统的工作方法，包括：

采集半圆环抱装置半圆范围内的图像；

实时判断同时接收的所有路图像是否均包含绝缘子；若是，则根据各路图像中的绝缘子与对应整幅图像占比的比较，确定绝缘子轴线是否位于半圆环抱装置中心位置；否则，输出调整半圆环抱装置的命令，直至绝缘子轴线位于半圆环抱装置中心位置；

在半圆环抱装置的中心与绝缘子轴线重合时启动清扫部，对绝缘子进行带电清扫。

作为一种实施方式，求取各路图像中的绝缘子与对应整幅图像占比的过程为：

对各路图像中检测到的绝缘子区域分别提取绝缘子连通域，并求取连通域的中心点和连通域所占像素点总数；

通过连通域所占像素点总数来确定连通域所占对应整幅图像的比例，得到各路图像中的绝缘子与对应整幅图像占比。

作为一种实施方式，当各路图像中的绝缘子与对应整幅图像占比相等，或存在绝缘子连通域的中心点横坐标与整幅图像长度的1/2值之差小于或等于预设误差阈值时，半圆环抱装置的中心与绝缘子轴线重合。

具体地，以两路图像采集装置采用两台分辨率相同(分辨率为m×n)的摄像头为例：

1)两台分辨率相同(分辨率为m×n)的摄像头，分别为摄像头1和摄像头2，位于半圆环抱装置的同一条直径上，两个摄像头可采集到环抱装置半圆范围内的图像。

2)对摄像头1和摄像头2采集到的两路视频进行分析，通过卷积神经网络算法检测视频流里是否存在绝缘子，若存在绝缘子，则对两路视频流中检测到的绝缘子区域分别使用阈值分割的方法提取绝缘子连通域。

其中，卷积神经网络算法作为深度学习领域用于视频图像检测的一种常用手段，通过采集大量绝缘子图像样本训练得到预测模型，使用预测模型可判定视频中是否存在绝缘子。

需要说明的是，本领域技术人员可根据实际情况来具体选择相应卷积神经网络算法(比如：卷积神经网络(convolutionalneuralnetworks,cnn)，其结构可根据实际情况来任选结构)来实现绝缘子的检测，并不影响最终图像处理结果。

阈值分割法是一种基于区域的图像分割技术，原理是把图像象素点分为若干类。图像阈值化分割是一种传统的最常用的图像分割方法，因其实现简单、计算量小、性能较稳定而成为图像分割中最基本和应用最广泛的分割技术。它特别适用于目标和背景占据不同灰度级范围的图像。它不仅可以极大的压缩数据量，而且也大大简化了分析和处理步骤，因此在很多情况下，是进行图像分析、特征提取与模式识别之前的必要的图像预处理过程。图像阈值化的目的是要按照灰度级，对像素集合进行一个划分，得到的每个子集形成一个与现实景物相对应的区域，各个区域内部具有一致的属性，而相邻区域不具有这种一致属性。这样的划分可以通过从灰度级出发选取一个或多个阈值来实现。

在本实施例中，对两路视频流中检测到的绝缘子区域分别使用阈值分割的方法提取绝缘子连通域的过程为现有过程，此处不再累述。

3)求取连通域的中心点(x1,y1)、(x2,y2)和连通域所占像素点总数num1、num^-2，并通过num1、num2确定连通域所占视频流图像比例：摄像头1和摄像头2采集到的图像大小为m×n，则其视野中心的像素位置均为最后通过比较c1、c2的大小及(x1,y1)与(x2,y-2)与的位置关系可得到绝缘子在半圆环抱装置内的位置，并根据比较结果对调整环抱装置与绝缘子的相对位置，直至绝缘子位于装置中间。其中，m和n分别为图像的长度和宽度。

其比较结果与调整方式如下，设error为像素位置允许的最大误差，一般error≤5：

(a)若c1>c2，绝缘子更加靠近摄像头1，需调整环抱装置，使绝缘子向摄像头2一侧移动；

(b)若c2>c1，绝缘子更加靠近摄像头2，需调整环抱装置，使绝缘子向摄像头1一侧移动；

(c)若c1＝c2，绝缘子在左右位置上，已经位于中心；

(d)若或绝缘子在前后位置上，已经位于中心；

(e)若并且绝缘子更加靠近环抱装置内侧，需调整装置，使绝缘子向环抱装置外侧移动；

(f)若并且绝缘子更加靠近环抱装置外侧，需调整装置，使绝缘子向环抱装置内侧移动；

(g)若|x1-x2|>error或者|y1-y2|>error，两个摄像头位置未对齐，其视野中心不在同一条水平线上，需重新调节两个摄像头位置。

需要说明的是，也可采用三个及三个以上的图像采集装置，只要保证各图像采集装置位于半圆环抱装置内部且各图像采集装置位于同一水平面即可，但两个图像采集装置是最佳方案。

机器人通过多相机对常用型号的绝缘子进行自动对准定位示教，在示教过程中对中位置进行收集、分析，通过机器学习来适应多种不同型号的绝缘子，捕捉其中心轴线位置，实现清扫环抱装置对不同型号的绝缘子的准确。

本实施例通过采集半圆环抱装置半圆范围内的图像，并根据各路图像中的绝缘子与对应整幅图像占比的比较，确定绝缘子轴线是否位于半圆环抱装置中心位置，自动实现绝缘子轴线是否位于半圆环抱装置中心位置的判断，提高了变电站绝缘子带电清扫机器人系统的清洁效率。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-onlymemory，rom)或随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)等。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。